Taller 2

Tecnologico de Estudios Superiores San Felipe del ProgresoINGENERIA QUMICA

Taller de Investigacion I

Diseo de un Viscosmetro de Bola para la Aplicacin en el Laboratorio de Ingeniera Qumica del Tecnolgico de Estudios Superiores de San Felipe del Progreso Facilitador:Lic. Rosa Isela Plata Navarrete

Elaboran: Jos Armando Salinas Rojas Edwin Damin Granados Medrano Pedro Morales Ruiz

IQ - 601

San Felipe del Progreso, Mxico, Abril 2015PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Diseo de un Viscosmetro de Bola para la Aplicacin en el Laboratorio de Ingeniera Qumica del Tecnolgico de Estudios Superiores de San Felipe del Progreso

PREGUNTA DE INVESTIGACION

El diseo de un viscosmetro de bola contribuir en la obtencin de conocimientos de los alumnos de Ingeniera Qumica del Tecnolgico de Estudios Superiores de San Felipe del Progreso?

CONTEXTUALIZACION DEL PROBLEMA

El uso del viscosmetro de bola es el ms exacto para dar medicin a fluidos newtonianos, sin embargo los datos recabados varan mucho ya que la percepcin del operador puede variar en las diferentes Temperaturas. En el laboratorio de Ingeniera Qumica del Tecnolgico de Estudios Superiores de San Felipe del Progreso, existe una deficiencia en cuanto a las prcticas de medicin de la viscosidad de fluidos newtonianos, ya que solo existen viscosmetros rotacionales que sirven para la medicin de la viscosidad en fluidos no newtonianos. Por esto se pretende disear el viscosmetro de cada de bola, ya que para la medicin de viscosidad en fluidos newtonianos se realiza de manera tradicional, que tiene un margen de error considerable ya que todo el desarrollo de la prctica es solo por la perspectiva de la visin de los estudiantes.

JUSTIFICACIN

Actualmente el Tecnolgico de Estudios Superiores de San Felipe del Progreso cuenta con medidores de viscosidad (rotacionales) que son utilizados dentro del laboratorio para realizar pruebas de fluidos. Un viscosmetro instrumentado reducir la intervencin del usuario durante cada prueba. En base a esto, se debe lograr eficiencia durante la obtencin de resultados de viscosidad siendo de mayor precisin y exactitud. Por lo anterior pretendemos disear un viscosmetro de bola para la aplicacin en el laboratorio de ingeniera qumica del Tecnolgico de Estudios Superiores de San Felipe del Progreso.

ANTECEDENTES

La viscosidad es una medida de la resistencia de un fluido a ser deformado por un esfuerzo de cizallamiento. Es normalmente conocido como comportamiento de fluidez o resistencia a la cada. La viscosidad se describe como la resistencia interna de un fluido a circular o fluir y sin embargo debe ser una medida del rozamiento o friccin del fluido (Cengel, 2006). La viscosidad finalmente es la llave, en el papel que juega, en la etapa del proceso! Para ciertos lquidos, la viscosidad es constante y solo depende de la temperatura y presin. Este grupo se denominan lquidos Newtonianos (Gardner, 2015).Los lquidos que no siguen esta relacin proporcional son denominados fluidos no Newtonianos. En la prctica, la viscosidad dependiente del tiempo se llama tixotropa. Si un lquido es cizallado a un gradiente de velocidad constante, la viscosidad decrecer lentamente. En cuanto se deja de cizallar, la viscosidad recuperar su valor inicial (Salazar, 2015).

1. MARCO TERICO

Para dar soporte a la investigacin que pretendemos realizar, se consultaran diversas fuentes bibliogrficas que de manera terica y cientfica sustentaran nuestro trabajo de investigacin, entre la bibliografa consultada se encuentra:

1.1 FLUIDOS

Todos los gases y lquidos reciben el nombre de fluidos, con lo cual se indica que no tienen forma definida como los slidos, sino que fluyen, es decir, escurren bajo la accin de fuerzas (Larraaga, 1999). En los lquidos las molculas estn ms cercanas entre s debido a las fuerzas de atraccin, y toman la forma del recipiente que los contiene, conservando su volumen prcticamente constante. La superficie libre de un lquido en reposo es siempre horizontal. Los gases estn formados por molculas que se mueven en todas direcciones (Ramos, 2015).

1.2 PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS

Densidad Absoluta La densidad absoluta de una sustancia expresa la cantidad de masa contenida en la unidad de volumen (Yunus A, 2012).Densidad relativa Se llama densidad relativa a la relacin que existe entre la densidad de un material y la de una sustancia de referencia. En el caso de los lquidos, esta sustancia es el agua; tratndose de los gases, generalmente se adopta el aire (Cengel, 2006).

1.3 Viscosidad

Cuando dos cuerpos slidos en contacto se mueven uno con respecto al otro, se crea una fuerza de friccin en la superficie de contacto en la direccin opuesta al moviento. La situacin es semejante cuando un fluido se mueve con respecto a un slido o cuando dos fluidos se mueven uno con respecto al otro (Estrada, 2015). En general la propiedad de la viscosidad representa la resistencia interna de un fluido al moviento o fluidez.La fuerza que un fluido fluye ejerce sobre un cuerpo en la direccin del flujo se llama fuerza de arrastre, la magnitud de esta depende, en parte, de la viscosidad. Para obtener una relacin (Torres-Papaqui, 2015).

1.4 Tipos de Viscosmetros

Un viscosmetro es un equipo para medir la viscosidad de un fluido. Existen tres tcnicas bsicas prcticas para determinar la viscosidad de un fluido newtoniano: Midiendo el flujo a travs de tubos (viscosmetros capilares). Viscosmetros rotacionales. Empleando patrones de viscosidad.

1.4.1 Viscosmetro de capilar Tienen la forma de un tubo de U, as como el viscosmetro de Ostwald, el viscosmetro de Cannon-Fenske y el viscosmetro de Ubbelohde. El diseo ms simple de este tipo de modelo es el viscosmetro de Ostwald (Geocities, 2015). El tiempo se multiplica por una constante del instrumento para determinar la viscosidad cinemtica del fluido:

El tiempo de la toma al fluido pasa por el tubo capilar es inversamente proporcional a la densidad del fluido, y directamente proporcional a la viscosidad dinmica:

Caractersticas:

Elevada precisin. Tiempos de medicin largo. Solo para lquidos newtonianos y transparentes. Precio razonable. Error de operador. Automatizable (caro).

1.4.2 Viscosmetro rotacional

Se basan en el principio de que la fuerza requerida para rotar un objeto inmerso en un fluido puede indicar la viscosidad del fluido. Consiste en una copa conteniendo una muestra, la cual gira a una velocidad rotacional (A., 1989). En algunos cilindros internos est rotando y el torque se mide en la copa, o bien a un torque constante aplicado.

Los viscosmetros rotacionales pueden tomar varias formas, y estas son normalmente algunas de ellas:

Viscosmetro de aguja que funciona determinando el toque requerido para lograr una cierta rotacin. Viscosmetro de cono y plato que emplea un cono que se introduce en el fluido a una muy poca profundidad haciendo contacto con el plato.

El viscosmetro rotacional tiene las siguientes funciones:

Posibilidad de cambiar las unidades SI al CGS. Tiene 19 velocidades desde 0.3 hasta 200 rpm. Se puede programar el torque para que el aparato se detenga cuando se cumpla con esa consigna.

1.4.3 Viscosmetro de cada de bola Tiene un recipiente que contiene un fluido viscoso. Su funcionamiento se basa en introducir una pequea esfera dentro del recipiente, la cual parte del reposo y rpidamente alcanza la velocidad lmite (Hernandez). El tiempo que le toma recorrer la distancia L determina la viscosidad del fluido. Las variables en el proceso de medicin son: Este tipo de instrumento se utiliza principalmente en los sectores siguientes:

Industria de aceites minerales (aceites, lquidos hidrocarburos). Industria alimentaria (soluciones de azcar, miel, cerveza, leche, gelatina, zumos de frutas). Industria qumica Industria cosmtica/farmacutica. Industria petrolera. Carburantes. Industria papelera. Pinturas y barnices.

Las principales desventajas que tiene este medidor son:

Velocidad a la que cae la bola es muy grande, la lectura no es exacta. Medicin de viscosidad requiere de la intervencin del usuario, lo que resulta un problema para la realizacin de pruebas. Tampoco cuenta con una interfaz para PC.

1.5 Peso

En fsica clsica, el peso (del latn pensum) es una medida de la fuerza gravitatoria que acta sobre un objeto. El peso equivale a la fuerza que ejerce un cuerpo sobre un punto de apoyo, originada por la accin del campo gravitatorio local sobre la masa del cuerpo (Arce, 2001). Por ser una fuerza, el peso se representa como un vector, definido por su mdulo, direccin y sentido, aplicado en el centro de gravedad del cuerpo y dirigido aproximadamente hacia el centro de la Tierra (Munson, 1999).

1.6 Principio de Arqumedes

Cuando un slido se sumerge en un lquido sufre una aparente prdida de peso igual al peso del lquido desalojado. Al establecerse un equilibrio entre el peso y la fuerza debida al peso del lquido desalojado, el cuerpo flota; por ello resulta que mientras menos denso sea el lquido en el que flota un cuerpo ms se sumergir, puesto que la menor densidad del lquido tiene que compensarse con un mayor volumen desalojado para que el empuje ascendente, que es lo que permite que los cuerpos floten, sea igual al peso del cuerpo. Este principio se emplea para medir la densidad de los lquidos mediante los aermetros o densmetros (Carrada, 2002).

El peso de la porcin de fluido es igual al producto de la densidad del fluido rf por la aceleracin de la gravedad g y por el volumen de dicha porcin V. Se sustituye la porcin de fluido por un cuerpo slido de la misma forma y dimensiones.Si sustituimos la porcin de fluido por un cuerpo slido de la misma forma y dimensiones. Las fuerzas debidas a la presin no cambian, por tanto, su resultante que hemos denominado empuje es la misma y acta en el mismo punto, denominado centro de empuje (Fay, 1996). Lo que cambia es el peso del cuerpo slido y su punto de aplicacin que es el centro de masa, que puede o no coincidir con el centro de empuje. Por tanto, sobre el cuerpo actan dos fuerzas: el empuje y el peso del cuerpo, que no tienen en principio el mismo valor ni estn aplicadas en el mismo punto. En los casos ms simples, supondremos que el slido y el fluido son homogneos y por tanto, coincide el centro de masa del cuerpo con el centro de empuje. La presin debida al fluido sobre la base superior es p1= fgx, y la presin debida al fluido en la base inferior es p2= fg(x+h). La presin sobre la superficie lateral es variable y depende de la altura, est comprendida entre p1 y p2 (Cengel, 2006).

1.7 Ley de Stocks

La Ley de Stokes se refiere a la fuerza de friccin experimentada por objetos esfricos movindose en el seno de un fluido viscoso en un rgimen laminar de bajos nmeros de Reynolds. Fue derivada en 1851 por George Gabriel Stokes tras resolver un caso particular de las ecuaciones de Navier-Stokes (Welty, 1990). En general la ley de Stokes es vlida en el movimiento de partculas esfricas pequeas movindose a velocidades bajas. La ley de Stokes puede escribirse como:

donde R es el radio de la esfera, v su velocidad y la viscosidad del fluido.

La condicin de bajos nmeros de Reynolds implica un flujo laminar lo cual puede traducirse por una velocidad relativa entre la esfera y el medio inferior a un cierto valor crtico. En estas condiciones la resistencia que ofrece el medio es debida casi exclusivamente a las fuerzas de rozamiento que se oponen al deslizamiento de unas capas de fluido sobre otras a partir de la capa lmite adherida al cuerpo. La ley de Stokes se ha comprobado experimentalmente en multitud de fluidos y condiciones (Potter, 2002).

Si las partculas estn cayendo verticalmente en un fluido viscoso debido a su propio peso puede calcularse su velocidad de cada o sedimentacin igualando la fuerza de friccin con el peso aparente de la partcula en el fluido.

Donde:Vs =es la velocidad de cada de las partculas (velocidad lmite)g = es la aceleracin de la gravedad,p = es la densidad de las partculas yf= es la densidad del fluido. =es la viscosidad del fluido.r =es el radio equivalente de la partcula.

HIPTESIS

El viscosmetro tiene una gran influencia para todos los alumnos de la carrera de Ingeniera Qumica del Tecnolgico de Estudios Superiores de San Felipe del Progreso dado que es posible reducir el tiempo y una mayor precisin al realizar prcticas de medicin de viscosidades en los fluidos newtonianos. Debido a que el dispositivo contiene un lenguaje de programacin que facilita la medicin de esta.

OBJETIVO GENERAL

Disear un viscosmetro de bola para la aplicacin en el laboratorio de Ingeniera Qumica del Tecnolgico de Estudios Superiores de San Felipe del Progreso

OBJETIVOS ESPECFICOS

Diseo del viscosmetro de cada de bola, aadiendo sensores de movimiento. Incorporar en el viscosmetro registro de datos, visualizacin grfica, programacin de la pruebas a realizar as como dar lectura de la temperatura. Funcin de la pc sin conexin a red.

METODOLOGA

Para la conclusin del protocolo de investigacin es necesario conocer la mecnica que emplean los viscosmetros de bola, para esto se utilizara el mtodo de investigacin documental, debido a que es necesario estudiar el movimiento de cada de un cuerpo bajo la accin de su peso y de la fuerza de rozamiento del medio circundante a l, obteniendo expresiones que definan su velocidad en funcin del tiempo y su posicin inicial con los diferentes aspectos que incluyen lo referente a la utilizacin de estos viscosimetros. Asi tambin se utilizara el mtodo cualitativo y cuantitativo para

TECNICA DE RECOLECCION DE INFORMACION Puesto que se pretende estudiar el movimiento de cada de un cuerpo bajo la accin de su peso y de la fuerza de razonamiento utilizramos la tcnica de observacin puesto que se puede estudiar de manera directa el fenmeno adems de ser una tcnica bastante objetiva al prestarse a la obtencin de datos lo ms prximos a como estos ocurren en la realidad

CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES

TEMPORILIZACION

ACTIVIDADESMARZOABRIL

MAYO

RECURSOS

1234123123HUMANISTAMATERIALESFINANCIEROTECNOLOGICORESPONSABLES

Introduccin a la unidad 1Bitcora, lpiz,hojas$15Internet, computadoraJos Armando, Edwin Damin, Pedro

ExposicinTcnicas de investigacinDiapositivas$10Internet, computadoraJos Armando, Edwin Damin, Pedro

Examen y planteamiento del problemaLpiz, hojasN/AN/AJos Armando, Edwin Damin, Pedro

Justificacin y planta mientoHojasN/AInternet, computadoraJos Armando, Edwin Damin, Pedro

AntecedentesLibros Internet, computadoraJos Armando, Edwin Damin, Pedro

Revisin globalN/AN/A N/AJos Armando, Edwin Damin, Pedro

ExamenLpiz, hojasN/AN/AJos Armando, Edwin Damin, Pedro

Comentario de cielo de octubreLpiz, hojasN/AN/AJos Armando, Edwin Damin, Pedro

SuspensinN/AN/AN/AN/AJos Armando, Edwin Damin, Pedro

MetodologaN/AN/AN/AJos Armando, Edwin Damin, Pedro


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1.8 REFERENCIAS

A., B. H. (1989). Introduccion a la Reologia. Amsterdam: Elsevier.Arce, R. M. (2001). Simulacion y Validacion del Flujo de polimero atravez de un dado capilar. Colombia: Facultad de los Andes Colombia.Carrada, B. (2002). Construccion de un Viscosimetro para un Analisis de Sangre. Unidad Profesional Interdisiplinaria de Biotecnologia: IPN.Cengel, Y. A. (2006). Mecanica de Fluidos. Universidad de Nevada: Mc Graw Hill.Estrada, C. (15 de 04 de 2015). Fundamentos Fisicos. Obtenido de Fundamentos Fisicos: http://www.uhu.es/gem/docencia/fund-fisicos/pract-Viscosidad.pdfFay, J. A. (1996). Mecanica de Fluidos. Mexico: CECSA.Gardner. (13 de 04 de 2015). BYK. Obtenido de BYK: http://www.byk.com/fileadmin/byk/support/instruments/theory/physical-properties/es/Intro_Viscosidad.pdfGeocities. (28 de 03 de 2015). Obtenido de Geocities: http://www.geocities.ws/todolostrabajossallo/fico12.pdfHernandez, B. E. (s.f.). Viscosimetro de Bola. Viscosimetro de Bola. Instituto Politecnico Nacional, Mexico, D.F.Larraaga, B. H. (1999). Introduccion a la Mecanica de Fluidos. Mexico: Alfa Omega.Munson. (1999). Fundamentos de Mecanica de Fluidos. Mexico: Limusa.Potter, M. (2002). Mecanica de Fluidos. Mexico: Prentice Hall.Ramos, P. (13 de 04 de 2015). Gifa. Obtenido de Gifa: http://www2.uah.es/gifa/documentos/IFA/Transparencias_IFA/tema_4_ifa.pdfSalazar, P. (13 de 04 de 2015). Geocites. Obtenido de Geocities: http://www.geocities.ws/todolostrabajossallo/fico12.pdfTorres-Papaqui, D. J. (15 de 04 de 2015). Astro Ugto. Obtenido de Astro Ugto: httpwww.astro.ugto.mx~papaquiondasyfluidosTema_2.05-Viscosidad.pdfWelty, J. R. (1990). Fundamentos de Transferencia Momentum, Calor y Masa. Universidad Estatal de Oregon: Limusa.Yunus A, C. (2012). Termodinamica. Universidad de Nevada: Mc Graw Hill.

Anexos

Documents

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